سلول های خورشیدی

صفحات خورشیدی، از ترکیبات نیمه هادی ساخته شده اند که وظیفه آن ها تبدیل انرژی نورانی خورشید به انرژی الکتریکی می باشد. این صفحات با نام فتوولتائیک (PhotoVoltaic) یا سولار (Solar) شناخته می شوند. صفحات فتوولتائیک (PhotoVoltaic) از نظر تکنولوژی به 3 دسته تقسیم بندی می شوند. صفحات فتوولتائیک پلی کریستال (Photovoltaic Polycrystalline Panels)، صفحات فتوولتائیک مونوکریستال (Photovoltaic Monocrystalline Panels) و صفحات فتوولتائیک نواری (Thin Film).
در ایران می‌توان از صفحات خورشیدی قابل نصب روی سقف منازل و شرکت‌های دولتی به‌منظور صرفه‌جویی در انرژی استفاده کرد.البته با استفاده از انرژی خورشیدی نمی‌توان تمامی برق مورد نیاز یک واحد مسکونی و مخصوصا یک شرکت بزرگ را تأمین کرد اما می‌توان با تأمین بخشی از الکتریسیته مورد نیاز، بخش دیگر را ذخیره کرد.از سوی دیگر می‌توان از فناوری صفحات خورشیدی در جاده‌ها و خیابان‌ها برای تولید برق نیز استفاده کرد.

تفاوت سلول خورشیدی با صفحه خورشیدی چیست؟
از نظر عملکرد تفاوتی ندارند. از کنار هم قرار دادن تعدادی سلولو خورشیدی (PV Cell) یک ماژول خورشیدی (PV Module) ساخته می شود. از قرار دادن چند ماژول خورشیدی (PV Module) در کنار هم یک صفحه خورشیدی (PV Panel) ساخته می شود که عموما در مصارف بزرگ ردیف های زیادی از صفحه خورشیدی (PV Panel) در کنار هم قرار می گیرند و یک سری خورشیدی (PV Array) تشکیل می دهند.
 صفحات خورشیدی در جاده‌ها و بزرگراه‌ها:
این ایده گرچه ابتدا تا حد زیادی دور از دسترس به‌نظر می‌رسید، اما اکنون به واقعیت تبدیل شده تا آنجا که پیش‌بینی می‌شود در دهه آینده در بسیاری از کشورهای جهان نسل جدیدی از سیستم جاده و خیابان‌کشی تحت عنوان جاده‌های خورشیدی به کار گرفته شود که در آن صورت حتی تخمین زده می‌شود که تحولی بنیادین در طراحی و به‌کارگیری تابلوهای کنار جاده و سیستم‌های هشدار‌دهنده نیز ایجاد شود. جاده‌هایی که با تکیه بر این فناوری جدید ساخته می‌شوند، نه‌تنها خورشیدی بوده و انرژی تابشی خورشید را جذب می‌کنند، بلکه با تکیه بر سیستمی کاملا هوشمند نقش قابل توجهی در کمک به حفظ گونه‌های جانوری و محیط‌زیست زمین خواهند داشت.
در این راستا محققان دست به کار شده و برای تحقق این ایده و در عین حال تجاری‌سازی آن، وارد عمل شده‌اند. آنها طراحی صفحات خورشیدی مخصوصی را آغاز کرده‌اند که از قابلیت‌های گوناگونی برخوردار است. این صفحات ضمن آنکه باید از توان بالایی در تحمل فشار ناشی از حرکت خودروهای سبک و سنگین برخوردار باشند، باید حجم قابل توجهی از پرتوهای خورشیدی را جذب و به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. در حقیقت، این دو خصوصیت اصلی به‌عنوان خط‌مشی اصلی دانشمندان در این پروژه جدید دوستدار محیط‌زیست بوده است. در فناوری نوینی که محققان این شرکت روی آن کار می‌کنند صفحات خورشیدی ویژه‌ای ساخته می‌شود که انرژی خورشیدی ذخیره شده در آن قابلیت تبدیل به انرژی الکتریکی و استفاده‌های تجاری و مسکونی را دارد. ترکیب این صفحات با ساختار سنتی آسفالت مهم‌ترین مانع جدی در برابر دانشمندان این پروژه بوده، اما نکته خیره‌کننده این است که محققان توانسته‌اند فناوری ال‌ای‌دی را نیز با این ایده درآمیخته و نسل کاملا جدیدی از جاده‌ها را ارائه کنند. صفحات خورشیدی که برای این منظور ساخته می‌شود، دربرگیرنده ال‌ای‌دی‌هایی هستند که همچون علائم هشداردهنده به کمک رانندگان می‌آیند.
این ال‌ای‌دی‌ها در شب هنگام از کارایی بیشتری برخوردار هستند و این زمانی است که با نمایش علائم هشداردهنده در کف جاده، راننده را از وضعیت پیش رو مطلع کرده و در عین حال ضریب خطاهای وی را با هشدارهای متناوبی که نمایش می‌دهد، به حداقل می‌رساند،استفاده ترکیبی از ال‌ای‌دی‌ها در این فناوری نوین به نوعی موجب رنگ‌آمیزی دیجیتال جاده‌ها نیز می‌شود و این امکان را برای کارشناسان فراهم می‌کند تا در هر نقطه‌ای که نیاز باشد، علائم هشداردهنده را به اطلاع رانندگان برسانند.
یکی دیگر از مزایای این فناوری نوین، توجه به حیات وحش اطراف جاده است. همه ساله شمار قابل توجهی از احشام وحشی در حالی که از جاده‌ها عبور می‌کنند، قربانی برخورد شدید با خودروهای عبوری می‌شوند.
درصورت توسعه این فناوری نوین، این مشکل برای همیشه برطرف می‌شود؛ چون محققان با استفاده از حسگرهایی مخصوص، این صفحات را به‌گونه‌ای ساخته‌اند که به راحتی احشام در حال عبور را تشخیص داده و در چنین حالتی علائم هشداردهنده‌ای را منتشر می‌کند که حتی در شب‌هنگام نیز به راحتی قابل رویت است اما این پایان جاه‌طلبی محققان در چنین پروژه‌ای نبوده است. آنها به‌دنبال ارائه فناوری‌ای بوده‌اند که سهم جاده در تصادفات رانندگی و تلفات جاده‌ای را به حداقل برساند. از این‌رو در دل روکش این آسفالت جدید، المنت‌های حرارتی را جاسازی کرده‌اند که در زمان بارندگی و احتمال ایجاد لایه یخ روی جاده، از هرگونه یخ‌زدگی سطح آن جلوگیری می‌کند.
این ایده در حالی در این فناوری به واقعیت تبدیل می‌شود که در فصول سرد سال ازجمله زمستان که بارش برف و باران و احتمال یخ‌زدگی معابر به طرز قابل توجهی افزایش پیدا می‌کند، احتمال وقوع تصادفات مرگبار نیز بیشتر می‌شود اما با استفاده از این فناوری نوین، رانندگی در زمستان بسیار دلپذیرتر از گذشته می‌شود. کارشناسان بر این باورند که این تلاش آغازی امیدوارکننده برای تحقق ایده جاده‌های هوشمند در آینده‌ای نه‌چندان دور است. پیش‌بینی می‌شود در آینده‌ای نه‌چندان دور بسیاری از جاده‌ها و خیابان‌ها در کشورهای مختلف جهان به لطف استفاده از فناوری‌هایی همچون ال‌ای‌دی‌ها و حسگرهای هوشمند به معابر تردد هوشمند تبدیل شوند.
اما توسعه این فناوری با این هدف که تصادفات و تلفات جاده‌ای به حداقل خود برسد، بخشی از هدف اصلی محققان از انجام چنین تلاش‌هایی را تشکیل می‌دهد. به عقیده آنها، جایگزین ساختن آسفالت جاده‌ها با این صفحات خورشیدی جدید می‌تواند گامی جدی به سوی مقابله با تغییرات جوی و گرم‌تر‌شدن زمین باشد. درصورتی که این فناوری به سرعت توسعه پیدا کند، آنگاه نسل آتی خودروهای سبک و سنگین برقی نیز می‌توانند با تکیه بر برق تولید شده در این جاده‌ها به حرکت خودادامه دهند و در نتیجه حجم قابل توجهی از آلایندگی‌های ناشی از سوخته‌شدن سوخت‌های فسیلی از بین می‌رود.

مزایای صفحات فتوولتائیک نواری (Thin Film) چیست؟
صفحات فتوولتائیک نواری (Thin Film) بسیار سبک و باریک بوده و به همین علت از انعطاف پذیری بالایی در کاربردهای متفاوت برخوردار هستند. از نظر تکنولوژیکی جدیدترین نوع صفحات بوده و البته به دلیل نوع نیمه هادی های مصرفی در آن ها از بازده (راندمان) کمتری نسبت به صفحات کریستالی برخوردار هستند.

انواع سیستم های خورشیدی (Solar Panel) قابل اجرا کدام هستند؟
سیستم های خورشیدی (Photovoltaic) بر اساس نحوه استفاده به دو دسته متصل به شبکه (On Grid) و مستقل از شبکه (Off Grid) تقسیم بندی می شوند.کاربرد دسته اول (On Grid) بیشتر در مناطق شهری و نزدیک به شبکه برق استفاده می شود. از مزایای آن کاهش مصرف برق بوده و می تواند نیاز به انرژی را تا حد قابل قبولی در ساعات روز برآورده کند.
دسته دوم (Off Grid) بیشتر در مناطق دور از شهر یا دور از شبکه برق کاربرد داشته و به طور کاملا مستقل در طول شبانه روز وظیفه تامین برق را بر عهده دارد.

استفاده از صفحات خورشیدی در به دست آوردن انرژ ی فضا پیما:
صفحات خورشیدی برای به دست آوردن انرژی فضاپیما مورد استفاده واقع می شوند. مقدار زیادی از نور خورشید در فضا وجود دارد که می شود از آن برای تهیه الکتریسیته استفاده نمود. صفحات خورشیدی، روی بدنه فضاپیما را توسط خانه های ردیف به ردیف که از سیلیکون درست شده اند پوشانده است. هر خانه قادر به تولید یک جریان ضعیف الکتریسیته از خورشید می باشد.صفحات خورشیدی همچنین آرایه های خورشیدی نیز خوانده می شوند.

عوامل مهم و کلیدی در انتخاب ماژول های خورشیدی (PV Modules) چیست؟
در انتخاب ماژول های خورشیدی (PV Modules) باید به نکات زیر توجه داشت:
 بازده (Efficiency): امروزه ماژول هایی با بازده 10 الی 18 درصد به صورت عملی در بازار وجود دارند. البته این مقادیر روز به روز در حال پیشرفت بوده و در نمونه های آزمایشگاهی تا کنون به مرز 42% نیز رسیده است.
ولتاژ (Vmax): ماکزیمم ولتاژی است که یک ماژول خورشیدی (PV Module) قادر به تامین آن می باشد و عموما در رنج 12، 24 و 48 در اختیار مصرف کننده قرار می گیرد.
جریان (Imax): ماکزیمم جریان تولیدی یک ماژول خورشیدی (PV Module) بوده که در طراحی سیستم ها نقش تعیین کننده ای دارد.
توان ماکزیمم (Pmax): حداکثر توانی است که یک ماژول خورشیدی (PV Module) قادر به تامین آن بوده است. این مقدار حاصلضرب مقدار ولتاژ (در حالت مدار باز) در مقدار جریان (در حالت اتصال کوتاه) در ضریبی به نام ضریب تامین (Fill Factor) می باشد.
Pmax = Voc * Isc * F.F
هر چه مقدار F.F به عدد یک نزدیک تر باشد به معنی کیفیت بالاتر ماژول خورشیدی است.    

سلول های فتو ولتائیک،تبدیل فتون ها به الکترون ها:سلول های خورشیدی که در ماشین حساب ها و ماهواره ها می بینید، با نام سلول هایphotovoltaic یا «قدرت زای نوری» هم شناخته می شوند. این نام از آنجا نشات گرفته کهphoto به معنی نور و voltaic به معنی الکتریسیته است، این سلول ها قرار است که نور خورشید را مستقیما تبدیل به الکتریسیته کنند. یک ماژول از گروهی سلول های متصل الکتریکی تشکیل شده و در یک فریم قرار گرفته است که بیشتر به عنوان یک پنل خورشیدی شناخته می شود. این پنل ها در گروه های بزرگ آرایه های خورشیدی در کنار یکدیگر قرار می گیرند و همگی همانند یک جسم واحد عمل می کنند. 

سلول های فتو ولتائیک از مواد ویژه ای ساخته شده اند که آنها را semiconductor یا نیمه رسانا می نامیم. از این مواد می توان به سیلیکون اشاره کرد که اکنون بسیار پرکاربرد است. در اصل هنگامی که نور با سلول برخورد می کند، مقدار مشخصی از آن توسط مواد نیمه رسانا جذب می شود. این یعنی انرژی جذب شده از نور به نیمه رسانا منتقل می شود. انرژی به الکترون های سست ضربه می زند و اجازه می دهد که آنها آزاد شده و به گردش در آیند. 
سلول های فتو ولتائیک همچنین دارای یک میدان الکتریکی هستند که به عنوان یک اجبار برای الکترون های آزاد شده توسط نور جذب شده عمل می کند و آنها را در جهت معینی به جریان می اندازد. این گردش الکترون ها یک جریان ایجاد می کند و با قرار دادن اتصال های فلزی در پایین و بالای سلول فتو ولتائیک می توانیم این جریان را برای مصارف مختلف بیرون بکشیم. این جریان، به همراه ولتاژ درون سلول ها (که در نتیجه میدان یا میدان های الکتریکی درونی سلول ایجاد می شود) قدرت یا ولتاژ تولیدی توسط یک سلول خورشیدی را تعریف می کنند. 
این فرآیند اساسی است که در یک سلول خورشیدی اتفاق می افتد، اما واقعیت بسیار پیچیده تر و بیشتر از آن است. در ادامه به شکل دقیق تر و عمیق تر نگاهی به یک سلول فتو ولتائیک می اندازیم: یک سلول سیلیکونی تک-کریستال.

چگونه سیلیکون تبدیل به سلول خورشیدی می شود؟                                                                                  سیلیکون برخی خصوصیات شیمیایی ویژه و منحصر به فرد دارد. به ویژه اینکه در حالت کریستالی باشد. یک اتم سیلیکون ۱۴ لکترون دارد که در سه پوسته مختلف مرتب شده اند. دو لایه اول که دو و هشت الکترون دارند کاملا پر هستند. لایه یا پوسته بیرونی تنها نیمی از ظرفیتش با چهار الکترون پر شده است. اتم سیلیکون همواره به دنبال راهی است تا لایه آخر خود را کامل کند. و برای انجام این کار الکترون های خود را با چهار اتم کناری اش به اشتراک می گذارد. مانند اینکه هر اتم با اتم های کناری دست به دست هم داده و با چهار همسایه اش متحد شوند. این همان چیزی است که آن را ساختمان متبلور یا کریستالی می خوانند و این ترکیب است که در این نوع از سلول فوتو ولتائیک اهمیت فراوانی پیدا می کند. 

تنها مشکل این است که سیلیکون کریستالی خالص رسانای الکتریسیته ضعیفی است، زیرا بر خلاف مواد رسانایی همچون مس، هیچ یک از الکترون های آن برای انتقال الکتریسیته آزاد نیستند. برای حل این مشکل، سیلیکون مورد استفاده در سلول خورشیدی با برخی اتم های دیگر ترکیب شده و ناخالصی موجود کمی شیوه کار اتم های سیلیکون را تغییر می دهد. سیلیکون را با تعداد کمی اتم های فسفر تصور کنید. شاید یک اتم به ازای هر یک میلیون اتم سیلیکون. فسفر در لایه بیرونی خود بر خلاف ۴ الکترون سیلیکون، ۵ الکترون دارد. اما هنوز با سیلیکون های همسایه اش باند شده و تشکیل اتحاد می دهد. اما به شکلی منطقی، فسفرها هنوز یک الکترون آزاد دارند که به هیچ جا متصل نیست. و عضو هیچ اتحادی هم نیست. اما در هسته فسفر پروتون مثبتی قرار دارد که آن را در جای خود نگه می دارد. 
هنگامی که انرژی به سیلیکون خالص اضافه می شود، برای مثال به شکل فوتون، باعث می شود که برخی الکترون ها باندها و ارتباطات شان را شکسته و آزاد شوند. و در پس هر یک از این موارد شکست، یک حفره باقی می ماند. این الکترون ها «حاملان آزاد» نامیده می شوند و سپس به صورت تصادفی درون شبکه متبلور و کریستالی سرگردان خواهند بود و به دنبال حفره دیگری هستند تا درون آن افتاده و جریان الکتریکی را هدایت کنند. به هر صورت در سیلیکون خالص تعداد کمی از اینها وجود دارد که نمی توانند چندان مفید باشند. 
اما سیلیکون ناخالص همراه با اتم های فسفر داستان متفاوتی دارد. این ترکیب به انرژی بسیار کمتری نیاز دارد تا یکی از الکترون های اضافی فسفر را از دست دهد. زیرا آنها به جایی وصل نبوده و در اشتراک با دیگر اتم ها نیستند. در نتیجه بسیاری از این الکترون ها به سادگی می شکنند. در نتیجه نسبت به سیلیکون خالص، تعداد بسیار بیشتری حامل آزاد خواهیم داشت. فرآیند اضافه کردن ناخالصی را تغلیظ می نامند و هنگامی که این کار توسط فسفر انجام شود به سیلیکون تولید شده توسط این فرایند N-type می گویند که حرف n از کلمه negativeگرفته شده است. زیرا این کار باعث از دست دادن الکترون می شود. سیلیکون تغلیظ شده N-type رسانای بسیار بهتری نسبت به سیلیکون خالص است. 
بخش دیگر سلول های خورشیدی معمول، سیلیکون تغلیظ شده با عنصر بور است. بور در لایه بیرونی خود تنها سه الکترون دارد. در این حالت سیلیکون تولیدی را P-type می نامند که از کلمه Positive گرفته شده است. زیرا این سیلیکون در لایه آخر خود جای خالی برای یک الکترون داشته و با جذب حامل ها بار مثبت پیدا می کند. 
حال بگذارید ببینیم هنگامی که این دو بخش در کنار هم قرار گرفته و به تعامل با هم می پردازند چه اتفاقی می افتد.

آناتومی یک سلول خورشیدی:                                                                                                                             اکنون می دانیم که دو بخش سیلیکونی ما به صورت مجزا ماهیت و طبیعت الکتریکی دارند. اما بخش جالب ماجرا وقتی شروع می شود که آنها را در کنار هم قرار دهید. زیرا بدون یک میدان الکتریکی، سلول کار نمی کند. و این میدان هنگامی شکل می گیرد که سیلیکون های P-type و N-type در ارتباط با هم باشند. ناگهان، الکترون های آزاد تمام حفره های خالی را پر می کنند؟ خیر. اگر چنین اتفاقی بیفتد، دیگر این دم و دستگاه چندان مفید و بدرد بخور نخواهد بود. البته درست در محل اتصال، آنها با هم ترکیب شده و یک سد می سازند. در نتیجه هر لحظه عبور الکترون ها از سمت N و رسیدن آنها به سمت P سخت تر و سخت تر می شود. سرانجام موازنه برقرار می شود. ما یک میدان الکتریکی مجزا در دو سو داریم. 

این میدان الکتریکی همچون یک «دیود» عمل می کند و به الکترون ها اجازه می دهد (و آنها را مجبور می کند) تا از سمت P به سمت N جریان پیدا کنند. اما در خلاف این جریان حرکتی نخواهیم داشت. این درست مانند یک تپه است که الکترون ها می توانند به راحتی از آن پایین بیایند (سمت N) اما امکان بالارفتن از آن را ندارند (سمت P). 
هنگامی که نور به شکل فوتون به سلول خورشیدی برخورد می کند، انرژی آن جفت های الکترون-حفره را از هم می شکند. هر فوتون با انرژی کافی معمولا می تواند یک الکترون را آزاد کند. اگر این اتفاق به اندازه کافی نزدیک به میدان الکتریکی باشد، یا اینکه الکترون و حفره آزاد شده سرگردان باشند، میدان الکتریکی موجود الکترون آزاد شده را به سمت N و حفره را به سمت P می راند. حال اگر یک مسیر جریان خروجی تهیه ببینیم، الکترون ها از سمت P به واحد الکتریکی جریان می یابند و کاری را که ما می خواهیم انجام می دهند. گردش الکترون ها تولید جریان می کند و میدان الکتریکی سلول باعث تولید ولتاژ می گردد. با جریان و ولتاژ، ما نیرو را خواهیم داشت که محصول هر دو است. 
البته هنوز برقی قطعات دیگر باقی مانده اند تا ما واقعا بتوانیم از سلول خورشیدی مان استفاده کنیم. سیلیکون ها مواد بسیار درخشانی هستند که می تواند قبل از اینکه فوتون ها کارشان را انجام دهد باعث بازتاب آنها شوند. 
یک پوشش ضد انعکاس لازم است تا تلفات را به حداقل برساند. مرحله آخر هم نصب چیزی است که از سلول ها در برابر محیط محافظت کند. این محافظ اغلب یک روپوش از طلق شیشه ای است. ماژول های فوتو ولتائیک معمولا از اتصال چندین سلول مجزا به یکدیگر برای دستیابی به سطح قابل قبولی از کاربردپذیری و میزان جریان و ولتاژ ساخته می شوند. و با قرار دادن آنها در یک فریم محکم و قوی به همراه ترمینال های مثبت و منفی داستان را کامل می کنند. 

اکنون این سلول فوتو ولتائیک ما چه میزان انرژی خورشید را جذب می کند؟ متاسفانه شاید این میزان چندان زیاد نباشد. برای مثال در سال ۲۰۰۶ اغلب پنل های خورشیدی تنها بازده ۱۲ تا ۱۸درصدی داشتند. آنچه که امروزه به عنوان بهترین راندمان سلولهای خورشیدی مطرح می شود و رکوردی برای بازده است، ۴۰ تا 40.7 درصد است.

اتلاف انرژی در یک سلول خورشیدی:                                                                                                                     نور مرئی تنها بخشی از طیف الکترومغناطیس است. تشعشع الکترومغناطیس تک رنگ نیست و از دامنه ای از طول موج های مختلف تشکیل شده و در نتیجه سطوح انرژی متفاوتی دارد. نور را هم می توان به طول موج های گوناگونی تجزیه کرد که ما آن را به شکل رنگین کمان می بینیم. از آنجایی که سلول ما توسط فوتون هایی با دامنه انرژی های متفاوت مورد اصابت قرار می گیرد، لذا برخی از آنها انرژی لازم برای شکست پیوند الکترون-حفره را ندارند. آنها به سادگی از درون سلول می گذرند، درست انگار که از یک شیشه شفاف عبور کرده اند. در حالی که برخی دیگر از فوتون ها انرژی بسیار زیادی دارند. تنها میزان مشخصی از انرژی، که با الکترون ولت اندازه گیری شده (و میزان لازم برای مواد درون سلول ما هم مشخص است) می تواند بر الکترون های اتم های سیلیکون سلول خورشیدی ما اثر گذارد. ما این را band gap energy می نامیم. اگر فوتونی انرژی بیش از میزان لازم داشته باشد، پس انرژی اضافی هدر می رود. مگر اینکه فوتون انرژی دو برابر میزان مورد نیاز داشته و بتواند به طور همزمان دو الکترون را رها کند که این هم چندان زیاد نیست که معنی دار محسوب شود. به این صورت است که تقریبا ۷۰ درصد انرژی تابشی دریافتی توسط سلول ما در واقع تلف می شود و کارایی ندارد. 

چرا نمی توانیم موادی را انتخاب کنیم که band gap پایینی داشته باشند و از فوتون های بیشتری بهره ببریم؟ متاسفانه band gap ما توسط قدرت یا ولتاژ میدان الکتریکی مان هم محدود شده است و اگر بسیار پایین باشد، جریانی که توسط جذب فوتون های بیشتر تولید می شود، ولتاژ بسیار پایین تری تولید خواهد کرد. و شیوه کار فعلی بهینه ترین حالت ممکن برای تولید ولتاژ و جریان مناسب است. 
ما همچنین تلفات دیگری هم در این میان داریم. الکترون های ما توسط یک مدار بیرونی از یک سوی سلول به سوی دیگر جریان پیدا می کنند. ما می توانیم بخش پایینی را با فلز پوشانده و رسانایی مناسبی را تامین کنیم. اما اگر بخش بالایی را کامل بپوشانیم، آنگاه فوتون ها نمی توانند از درون رسانای مات عبور کنند و ما تمامی جریان را به کلی از دست می دهیم. در برخی از سلول های خورشیدی در بالا از رساناهای شفاف استفاده می شود. اگر هم نقاط تماس مان را در دیواره های سلول قرار دهیم. الکترون ها راه واقعا طولانی را لازم است برای رسیدن به نقاط تماس طی کنند. به خاطر داشته باشید که سیلیکون یک نیمه رسانا است و همانند فلز از پس عبور جریان بر نمی آید. و مقاومت داخلی آن نسبتا بالا است. و مقاومت بالا به معنی اتلاف انرژی بالا است. برای به حداقل رساندن این اتلاف، سلول ها را توسط شبکه فلزی می پوشانند که فاصله سفر الکترون ها تا نقاط تماس را به حداقل می رساند. البته این مورد هم باعث بلوکه شدن برخی فوتون ها می شود که اگرچه خیلی کم نیست، اما از مقاومت داخلی نیمه رساناها بسیار کمتر است. 
اکنون می دانیم که یک سلول خورشیدی چگونه کار می کند. اجازه دهید ببیینیم چگونه می توان انرژی یک خانه را با این تکنولوژی تامین کرد.

تامین انرژی خانه با سلول خورشیدی:                                                                                                               برای تامین انرژی خانه مان با انرژی خورشیدی به چه چیزی نیاز داریم؟ اگر چه کار به سادگی نصب چند ماژول بر روی پشت بام خانه نیست. و البته چندان هم متفاوت با آن نیست. اول از همه، تمامی پشت بام ها جهت مناسب یا زاویه و شیب لازم برای استفاده کامل از نور خورشید را ندارند. سیستم های فوتو ولتائیک ثابت که امکان رهگیری نور خورشید را ندارد، باید در جهت مناسبی نصب شوند که بیشترین مدت روز و بیشترین مدت سال از نور مستقیم خورشید بهره مند شوند. البته هنگام نصب این نکته هم باید در نظر گرفته شود که شما می خواهید حداکثر برق را در صبح تولید کنید یا هنگام عصر آن را در اختیار داشته باشید. از خانه در زمستان بیشتر استفاده می شود یا تابستانه است. و مطمئنا پنل ها نباید توسط سایه درختان اطراف خانه یا خانه های همسایه ها پوشانده شوند. 

اگر هم پشت بام شما در جهت مناسبی قرار ندارد، اکنون لازم است درباره اندازه سیستم انتخابی تان تصمیم گیری کنید. این موضوع وقتی پیچیده تر می شود که حقایق دیگری را هم در داستان دخالت دهیم. مثلا اینکه تولید الکتریسیته بستگی به آب و هوا هم دارد که اصلا نمی توان آن را پیش بینی کرد. یا اینکه میزان مصرف الکتریسیته شما کاملا متغیر است. 
خوشبختانه این موانع به سادگی قابل حل هستند. اطلاعات هواشناسی به ما امکان سنجش میزان تابش ماهیانه خورشید را می دهند. همچنین دیگر فاکتورهای مهم چون روزهای بارانی، ابری و میزان رطوبت را هم برای مان پیش بینی می کنند. شما باید سیستم را بر اساس بدترین ماه طراحی کنید، پس از آن در تمام سال انرژی کافی و حتی اضافی در اختیار خواهید داشت. با در اختیار داشتن این اطلاعات و دانستن میانگین نیاز خانه تان، به راحتی می توانید محاسبه کنید که به چه تعداد ماژول فوتو ولتائیک نیاز دارید. همچنین باید در خصوص ولتاژ سیستم هم از همان ابتدا تصمیم گیری کنید. این چیزی است که با تعداد ماژولی که به صورت سری به یکدیگر متصل می شوند کنترل می شود.البته در این میان مشکلاتی هم وجود دارند. اول از همه، هنگامی که خورشید نمی تابد باید چه کنیم؟

حل مشکلات سیستم تامین نیروی خورشیدی:                                                                                                   زندگی کردن بر اساس حدس و گمان های یک هواشناس احتمالا چندان جذاب و خواستنی به نظر نمی رسد. اما شما چند گزینه اصلی دیگر را پیش رو دارید تا هنگامی که خورشید با شما همراهی نمی کند، از تامین انرژی لازم خانه تان اطمینان داشته باشید. اگر می خواهید کاملا ارتباط تان را با شبکه برق قطع کنید، اما به پنل های خورشیدی هم به طور کامل اعتماد ندارید، پس باید یک جانشین هم برای آنها داشته باشید. برای مثال می توانید از یک ژنراتور کوچک (موتور برق خانگی) استفاده کنید تا هنگام کم شدن برق پنل های خورشیدی به کمک تان بیاید. دومین راه حل استفاده از سیستم ذخیره انرژی به شکل باتری است. متاسفانه باتری ها می توانند هزینه و دردسر نگهداری زیادی را به سیستم فوتو ولتائیک وارد کند، اما در حال حاضر آن را می توان یک ضرورت دانست. 

یک راه حل دیگر اتصال خانه به شبکه برق شهری است. هنگامی که برق نیاز دارید، آن را می خرید و هنگامی که برق اضافی تولید می کنید آن را می فروشید. با چنین سیستمی شما در واقع از یک سیستم ذخیره بی انتها بهره می برید که هزینه نگهداری چندانی هم ندارد. البته این موضوع بستگی به قوانین و آیین نامه های دولتی و موقعیت مکانی شما هم دارد. 
در صورتی هم که تصمیم دارید از باتریها استفاده کنید، به خاطر داشته باشید که باتری به نگهداری و سرکشی دائمی و همچنین جایگزینی دوره ای نیاز دارند. پنل های خورشیدی معمولا عمر ۳۰ ساله دارند، اما عمر باتری ها بسیار کمتر است. از سویی هم به دلیل استفاده از الکترولیت های اسیدی باتری ها به تهویه خوب نیاز داشته و باید از فلزات دور نگه داشته شوند.

پیشرفت های تکنولوژی سلول خورشیدی:                                                                                                            تا به اینجای کار بیشتر درباره شیوه کارکرد یک سلول خورشیدی یا سیستم فوتو ولتائیک معمولی صحبت کردیم. اما مشکلات و نگرانی ها در زمینه هزینه تمام شده و به صرفه نبودن این سیستم باعث شده که همچنان تحقیقات پایان ناپذیری در خصوص پیدا کردن راه های جدیدی برای مهار انرژی خورشید در جریان باشد تا به آن، امکان رقابت با دیگر منابع انرژی متداول را بدهد. برای مثال سیلیکون تک-کریستال تنها ماده مورد استفاده در سلول های فوتو ولتائیک نیست. سیلیکون های پلی کریستال هم محصول دیگری هستند که برای کاهش هزینه تولید، مورد استفاده قرار می گیرند. البته سلول های تولیدی به اندازه سیلیکون تک-کریستال بازده ندارند. دومین نسل تکنولوژی سلول خورشیدی را با نام سلول های خورشیدی فیلم-نازک می شناسیم. در این سلول ها راندمان قربانی شده، اما محصول تولیدی ارزان تر از کار در آمده و ساخت آن آسان تر شده است. و در نتیجه به طور کلی بازده بهتر می شود. این نسل جدید از سلول های خورشیدی را می توان از مواد مختلفی تولید کرد. از این مواد می توان به سیلیکون غیر متبلور، ارسنیک گالیوم، ایندیوم مس و تلوریوم کادمیوم اشاره کرد. 

یک استراتژی دیگر برای افزایش راندامان استفاده از دو یا چند لایه مختلف مواد با band gapهای متفاوت است. به یاد دارید که بسته به ساختار، فوتون های با انرژی های مختلف را می توان جذب کرد. لذا با قرار دادن مواد با band gap بالاتر بر روی سطح می توان فوتون های با انرژی بالا را جذب کرد و فوتون های با انرژی کمتر را توسط لایه های پایین تر و مواد باband gap کمتر جذب کرد. این گونه کارایی و راندمان بسیار بهتر خواهد بود. به چنین سلول هایی، سلول چند تقاطعی می گویند. این سلول ها می توانند بیش از یک میدان الکتریکی داشته باشند. 
تکنولوژی فوتو ولتائیک متمرکز یکی دیگر از میادین کاری برای توسعه شیوه دریافت انرژی خورشیدی است. به جای شیوه ساده جمع آوری و تبدیل هر میزان از نور خورشید که به زمین می تابد و تبدیل مستقیم آن به الکتریسیته، در سیستم های فوتو ولتائیک متمرکز، از تجهیزات نوری اضافی همانند لنزها و آیینه ها استفاده می شود تا میزان بیشتری از انرژی خورشید برای راندمان بیشتر بر روی سلول های خورشیدی متمرکز شود. علاوه بر اینکه تولید این سیستم ها گران تر از کار در می آید، آنها برخی مزیت ها هم نسبت به سیستم های مرسوم دارند و همین باعث شده که تحقیقات همچنان بر روی آنها ادامه یابد. 
همه این نسخه های مختلف تکنولوژی سلول های خورشیدی توسط شرکت های مختلفی حمایت شده و آنها محصولات مختلفی را بر این پایه تولید می کنند. از هواپیماهای مجهز به پنل های خورشیدی تا ایستگاه های فضایی مجهز به سلول خورشیدی و کاربردهای روزمره ای چون پرده ها، لباس ها و کیس های کامپیوتر مجهز به سلول های فوتو ولتائیک. و حتی محققان همچنان به دنبال کشفیاتی جدید تر همچون سلول های خورشیدی اورگانیک هستند.

هزینه های انرژی خورشیدی:                                                                                                                         شاید تا اینجا شما هم ایده استفاده از انرژی خورشیدی را در سرتان پرورانده باشید. درست است که نور خورشید رایگان است، اما الکتریسیته تولیدی توسط سیستم های فوتو ولتائیک این گونه نیست. فاکتورهای زیادی در نصب سیستم های فوتو ولتائیک تاثیر دارند که مهم ترین آنها قیمت است. اولین سوال این است که شما در کجا زندگی می کنید. افرادی که در شهرها و مناطق آفتابی زندگی می کنند، مزیت های بیشتری داشته و انرژی بیشتری هم نسبت به مناطق ابری تولید خواهند کرد. البته قیمت تجهیزات اگر چه در مناطق مختلف متفاوت است، اما در همه جا مهم ترین گزینه است. 

اما بگذارید به قیمت بپردازیم. با توجه به قیمت های سال ۲۰۰۹، هزینه راه اندازی پنل های خورشیدی خانگی تقریبا ۸ تا ۱۰ دلار به ازای هر وات است. سیستم های بزرگ تر، هزینه بر وات کمتری دارند. اما این را هم باید به خاطر داشت که تقریبا هیچ سیستم انرژی خورشیدی پوشش ۱۰۰ درصدی را برای تان فراهم نمی آورد. لذا هنوز هم شما باید قبض برق را پرداخت کنید، اما میزان آن بسیار کمتر خواهد شد. 
البته سیستم های خورشیدی هنوز راه درازی دارند تا بتوانند با شرکت های توزیع برق رقابت کنند. اما به لطف تحقیقات و بهبود تکنولوژی قیمت ها دائما کاهش می یابند. و روزی خواهد آمد که سیستم های فوتو ولتائیک از نظر قیمت در مناطق شهری به صرفه خواهند شد. یکی از مشکلات کارخانه ها این است که حجم تولید باید بسیار بالا رود تا هزینه ها به صرفه شود. و فعلا چنین درخواستی برای فوتو ولتائیک وجود ندارد و قیمت هنوز به سطح رقابتی نرسیده است. اما جهان روز به روز بیشتر نگران مشکلات زیست محیطی پیش آمده توسط منابع انرژی معمول می شود و توجه بیشتری به انرژی های تجدید پذیر چون نور خورشید دارد. و در اینده این داستان جدی تر هم می شود.

داستان انرژی خورشیدی در ایران:                                                                                                                        تحقیقات روی انرژی های تجدید پذیر و به خصوص انرژی خورشید در ایران هم روز به روز جدی تر شده و اکنون به مرحله ای رسیده است که تولید پنل های خورشیدی هم در ایران انجام می شود. و جالب اینکه مراکز مختلفی هم به این کار مشغول هستند. از سوی دیگر، امسال از نظر حمایت دولتی هم یک نقطه عطف برای انرژی خورشیدی در ایران بود. طبق آیین نامه ها و قوانین فعلی هر کاربر خانگی در ایران اکنون می تواند از وام های خاص بانکی برای راه اندازی نیروگاه خورشیدی خانگی استفاده کرده و به تولید انرژی مورد نیاز خود بپردازد. و جالب تر اینکه وزارت نیرو، برق مازاد تولیدی را هم با قیمت مناسبی از کاربران خانگی خریداری می کند. اگر چه به عنوان یک درآمد بر روی این کار نمی توان فکر کرد، اما شاید بتواند گوشه ای از هزینه ها را جبران کند.

شارژ تلفن همراه با استفاده از سلول های خورشیدی:                                                                                         محققان فرانسوی موفق به ساخت اولین سلول خورشیدی شفاف قابل استفاده برای تلفن همراه شدند.چند سال پیش نیز دو شرکت بزرگ سازنده تلفن همراه، از تکنولوژی سلول خورشیدی در تلفن های همراه خود استفاده کردند ولی این محصول به دلیل ناکارآمدی و ظاهر غیر متعارف، مورد استقبال قرار نگرفت.فناوری سلول خورشیدی شفاف، برای اولین بار توسط محققان دانشگاه ماساچوست به بازار عرضه شد.در این سلول خورشیدی از یک لایه نازک عدسی با قدرت همگرایی بالا استفاده شده است، این عدسی موجب تمرکز اشعه خورشید و افزایش کارایی سلول خورشیدی می شود.شرکت فرانسوی تولید کننده این شارژر همراه، تاکنون ۳۰ اختراع ثبت شده در کارنامه خود دارد.یکی از مهمترین مزیت های این دستاورد، هزینه پایین آن است؛ پانل خورشیدی و تمام مبدل های الکترونیکی مرتبط، هزینه ای کمتر از ۲ دلار و ۳۰ سنت دربردارد.برای شارژ تلفن همراه با استفاده ازسلول خورشیدی شفاف، فقط کافی است آن را به مدت ۲ساعت در مقابل نور خورشید قرار داد و تمام روز با خیال راحت و بدون دغدغه از آن استفاده کرد.مراحل اولیه ساخت این سلول خورشیدی با موفقیت به پایان رسیده است و شرکت فرانسوی سازنده اعلام کرده است که در اوایل سال آینده، محصول خود را برای استفاده عمومی وارد بازار می کند.

این مطلب با همکاری آقای متین خانلو وآقای محمدبلوری گرد آوری شده است.

باتشکر از دبیر محترم آقای موسوی.

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: